直流电机驱动农用履带机器人轨迹跟踪自适应滑模控制

为了提高农用履带机器人轨迹跟踪控制的性能,将履带机器人模型视为由电机驱动方程和运动方程组成的级联系统,在考虑了履带机器人运动学模型和电机驱动模型动态特性的基础上,构建了一种变倾斜参数的自适应积分滑模切换函数,基于这个函数设计了由等效控制和切换控制组成的自适应滑模控制,将机器人的位姿误差以及在线辨识的驱动电机时变不确定参数反馈至控制器中,计算出左右轮驱动电机的期望角速度,控制履带机器人运行。田间试验结果表明,当机器人分别以1,3,4 m/s速度运行时,在运动方向距离误差、侧向距离误差和航向角的误差分别在-0.04~0.04 m,-0.09~0.07 m和-0.03~0.05 rad范围内。因此,基于电机驱动的机器人自适应滑模控制具有良好的控制精度,能够满足田间实际作业的要求。     

机器人柔性抓取试验平台的设计与抓持力跟踪阻抗控制

为减小机器人在采摘过程中对果蔬的损伤,设计了机器人柔性抓取试验平台,提出了一种适合末端执行器双指抓取果蔬的抓持力跟踪阻抗控制算法,该算法将末端执行器抓持果蔬系统等效为阻抗-导纳模型,使手指力/位控制等效为期望的惯量-阻尼-刚度模型,可按需调节其参数实现抓持力与位置的动态关系。期望抓持力与采集果蔬实际接触力的偏差作为外环力阻抗控制器的输入,控制器生成对内部位置环参考轨迹的校正量。该算法仅考虑沿末端执行器双指夹持果蔬方向,避免了使用多自由度机械臂阻抗控制算法的复杂性,提高了控制的实时性,同时对抓取系统模型的不确定和力扰动具有较强的鲁棒性。机器人抓取试验证明了双指抓持力反馈阻抗柔顺控制算法的有效性,可实现机器人柔性抓取,减小抓取果蔬损伤和保证品质。该研究可为农业机器人无损抓取和采摘提供关键技术。     

苹果采摘机器人对振荡果实的快速定位采摘方法

为解决由于果实振荡影响采摘机器人采摘效率的问题,该文研究了苹果采摘机器人在果实振荡状况下的快速采摘方法。首先对振荡果实进行动态连续采集,其次对所采集的图像进行振荡果实识别并提取其二维质心坐标,然后由FFT建模,求取果实的振荡周期,在测得振荡果实的深度距离后,计算出采摘机器人直动关节的行程速度,随即开始采摘,抓取时果实正处于平衡位置。最后通过试验可知,采摘成功率达到84%,对于果实静态状况下采摘速度较快的采摘机器人来说,采摘振荡果实,该研究方法明显优于以往采摘方法,能够显著提高采摘机器人果实采摘的整体速度。此外,该采摘方法简单、通用性好,可满足苹果等类球状果实采摘机器人的需要,对实现其实用化和商品化提供参考。     

基于旋量理论的混联采摘机器人正运动学分析与试验

为满足油茶果机械化、自动化采摘的要求,避免利用传统的Denavit-Hartenberg(D-H)参数法对机器人进行运动学分析时的缺陷,提出了一种基于旋量理论构建混联采摘机器人运动学方程的方法。根据混联采摘机器人机械臂的结构特点进行简化;基于所提出的方法建立了机器人正运动学方程,获得末端执行器的位置正解;随机选取5组关节变量值,得出末端执行器在基础坐标系各坐标轴上的最大绝对位置误差为10.4 mm,远小于末端执行器200 mm的开度,满足该机器人末端执行器的采摘工作要求,验证了通过文中所提出的方法建立混联采摘机器人运动学正解方程的可行性及方程的正确性。该研究可为后续开展混联采摘机器人控制方法和轨迹规划研究提供参考。     

理论换段点下HMCVT换段离合器转矩交接及控制

针对液压机械无级变速器在换段过程中的动力中断和换段冲击问题,该研究以三段式液压机械无级变速器第二段切换第三段为例,通过建立动力学模型分析理论换段点下两段位的液压路功率方向变化规律,提出基于液压路功率方向的两阶段换段离合器转矩交接方法,并使用分段函数对两阶段离合器转矩交接轨迹进行优化,通过仿真对转矩交接方法正确性进行了验证。为了实现转矩的跟踪控制,基于终端滑模控制的方法设计了离合器控制器,通过对油压的跟踪控制实现转矩的跟踪控制,通过试验验证了控制器有效性。仿真和试验结果表明：在负载换段过程中,所提换段离合器转矩交接方法能够实现动力的平稳过渡,终端滑模控制器能够实现离合器油压的跟踪控制,从而实现转矩控制。在输入轴转速1 000 r/min,负载700 N·m工况下,使用终端滑模控制器控制两换段离合器进行换段,输出轴转速的波动范围为-20.6～7.4 r/min,输出轴转矩波动范围为-117.4～107.9 N·m,换段过程中最大冲击度为-6.16 m/s3,换段离合器的最大滑摩功为508.45 J,换段过程中无动力中断。该研究可为液压机械段变速器的换段控制提供参考。     

畜牧养殖环境监测自主移动平台轨迹跟踪控制算法

为实现畜牧养殖环境全方位监测,开发了可实现轨迹跟踪的自主移动监测平台。以具有非完整约束特性的自主移动平台为研究对象,研究其轨迹跟踪问题。在平台的结构基础上,通过建立其运动学模型及误差模型,提出基于Lyapunov函数和反推(Backstepping)时变状态反馈控制方法的轨迹跟踪算法,实现自主移动平台转向轮转角和行驶速度的控制。仿真和试验表明:所提出的控制算法能使该平台较好的收敛于期望轨迹,当跟踪期望轨迹稳定后,控制参数为(k_1,k_2,k_3,k_4)=(0.1,0.2,0.15,0.3)时,直线轨迹跟踪误差为x_e=±7 mm,y_e=±9.8 mm,θ_e=±4.2°,圆弧轨迹跟踪误差为x_e=±6.2 mm,y_e=±8.3 mm,θ_e=±5.8°,取得良好的跟踪精度。该研究可为畜牧养殖环境监测自主移动平台轨迹跟踪控制提供参考。     

农用轮式铰接车辆滑模轨迹跟踪控制算法

针对农用轮式铰接车辆驾驶员工作条件恶劣的问题,该文提出了一种应用于无人驾驶系统的滑模变结构控制铰接车精确轨迹跟踪的方法。首先推导出了铰接车的运动学模型,根据该模型建立实际行驶轨迹与参考轨迹偏差的模型,之后针对偏差模型设计滑模变结构路径跟踪控制器,该控制器使用Ackermann公式设计,控制律采用指数趋近律使系统有较快的响应和较小的抖振,同时,为了进一步抑制滑模控制器固有的抖振问题,将趋近律中的符号函数替换为连续函数,以避免趋近律数值产生阶跃变化,并用Lyapunov函数证明了其稳定性,最后在硬件在环仿真中验证了控制器的实时性和路径跟踪质量。结果表明,该控制器在硬件在环仿真环境下可将横向位置偏差、航向角偏差、曲率偏差分别控制在0.21 rad(12°)、100 mm、0.17rad(1°)、0.005 m-1附近,各向偏差均在10 s内达到平衡,且误差控制在5%以内,铰接车能有效跟踪参考路径。该研究为农用轮式铰接车辆实现无人驾驶提供参考。     

矮化密植果园多臂采摘机器人任务规划

为提高矮化密植果园多机械臂采摘机器人的协同作业效率,该研究对存在重叠访问域的多臂协同采摘机器人任务规划进行分析,将多臂协同任务规划问题归纳为异步重叠访问域的多旅行商问题,给出了基于遗传算法的优化求解方法。试验结果表明:该研究所提任务规划算法在求解4个机械臂采摘43和90颗果实的任务规划问题时,分别在500和2000次迭代后收敛,相比于随机遍历算法,作业遍历时长可缩短40.97%和54.98%;采摘90颗果实,单机械臂的遍历时长约为该方法的4.28倍;采摘3种不同分布条件下的28颗果实,相比于顺序规划法和随机遍历法,该方法的作业遍历时长分别缩短10.69%和27.18%、20.45%和23.33%以及12.94%和21.69%。综上,基于遗传算法的任务规划方法能够协调规划多臂采摘机器人系统的作业任务,确保各个机械臂避免发生冲突,以较短时间遍历所有目标果实,提升作业效率。研究结果可为其他多机械臂采摘机器人任务规划提供参考。     

轮式农业机械自动转向控制系统研究

以日本久保田SPU－60型插秧机为对象进行轮式农业机械自动转向控制研究，提出了基于速度的自适应PD控制方法，利用航向偏差作为控制器输入，控制器可根据插秧机行进速度在线调整其PD参数，进而输出前轮期望偏角。仿真和试验结果表明，该方法可以较好地适应农业机械作业速度的变化，提高其转向的快速响应特性和稳定性，航向跟踪效果好。该研究为进一步开展轮式农业机械自动导航控制研究提供了依据。     

苹果采摘路径规划最优化算法与仿真实现

采摘路径规划对苹果采摘机器人的工作效率有很大的影响,为了提高苹果采摘机器人采摘效率,研究了采摘路径规划最优化方法。将苹果采摘的路径规划问题转化为三维的旅行商问题进行求解,结合图像识别得到的苹果位置特征,提出了有限域信息素自适应更新的改进蚁群算法,避免了基本蚁群算法求解过程中的早熟和局部收敛的问题,研究了三维模型的建模和驱动方法。试验结果表明将蚁群算法用于解决苹果采摘路径规划问题,当苹果数量达到250个时,改进蚁群算法迭代次数是基本算法的25.3%,而搜索到的最优路径是其94.3%,可见改进算法在搜索次数和最优结果上都有明显的优势。本研究为苹果采摘机器人采摘路径规划的提供理论参考。     

基于滑模变结构控制的温室喷药移动机器人路径跟踪

为解决作物种植密集,地面障碍与空间障碍并存等非结构化环境因素对温室喷药移动机器人路径跟踪运动控制精度的影响,在建立移动机器人运动学模型的基础上,设计一种基于指数趋近律的滑模变结构控制方法以保证系统对不确定参数及外界干扰的鲁棒性。与此同时,为有效解决滑模控制固有的抖振问题,提出一种加权增益趋近律算法,在该趋近律的积分项中引入负的加权值,可有效避免当系统状态不在滑模切换时的切换增益的增大,使得控制器输出量平滑,并利用Lyapunov函数证明了其稳定性,并采用该文所设计的基于加权积分增益趋近律的滑模控制器对喷药移动机器人进行路径跟踪控制。试验结果表明,该算法可以顺利消除横向偏差,使实际运动轨迹平稳跟随理想作业路线,避免在作业区域产生较严重的重喷和漏喷现象,其研究成果为温室作物实施精准喷药提供了依据。     

果蔬采摘机器人末端执行器的柔顺抓取力控制

为了尽可能减小采摘机器人末端执行器在采摘过程中对果蔬的损伤,提出了一种基于广义比例积分(GPI,generalized proportional integral)的抓取力矩控制方法。首先,对由电机驱动的末端执行器建立模型,推导出电机输入电压与负载力矩之间的数学关系;然后,利用积分重构器设计GPI力矩反馈控制器,将力偏差转化为电机的输入电压控制。该方法不需要对力矩跟踪误差进行求导计算,避免了求导所带来的系统延时和噪声问题。仿真和实物抓取试验结果表明,采用GPI的末端执行器力矩控制对跟定信号的跟踪误差达到10-3量级,具有良好的力矩跟踪能力,与传统PI(proportional integral)控制方法相比,其控制力矩和电机控制电压输出平稳,降低了末端执行器抓取时对果蔬的损伤,无损采摘效率达到90%,比PI控制的采摘完好率高出8个百分点,适合于对果蔬的柔顺抓取控制。该研究可为果蔬采摘机器人无损采摘提供参考。     

基于非奇异终端滑模的物料提升机位置控制

为解决一类物料提升机在惯性参数不确定情况下的精确位置控制问题,基于非奇异终端滑控制方法设计了物料提升机的控制器,并将其用于单斗-链式旋臂物料提升机。仿真试验结果表明,和现有隐式李雅普诺夫函数连续反馈位置控制器相比,所提出的控制器将系统位移响应最大超调量从144%减少为10.6%,调节时间从2.84减少为1.95 s;角位移响应的最大超调量从62.8%减少到0,调节时间从2.3减少为2.0 s,有效改善了物料提升机工作过程中的控制品质。该研究为物料提升机的控制器设计提供了参考。     

荷兰黄瓜收获机器人的研究开发

为了降低黄瓜人工收获费用，荷兰农业环境工程研究所已经成功开发出了移动式黄瓜收获机器人样机。重点研究了机器人视觉识别系统软件和机械手运动控制程序。移动式黄瓜收获机器人由4部分组成：行走车、机械手、视觉系统和末梢执行器。试验表明该机器人的行走车能够快速到达初步作业位置，视觉系统能够探测到黄瓜果实的精确位置及成熟度，末梢执行器可以抓取黄瓜果实并将果实从茎秆上分离。     

在线重力补偿下工程机器人自主作业轨迹跟踪性能分析

工程机器人自主作业时,工程机器人动臂举升、前臂摆动重心上升过程中需要克服自身重力做功,而在工程机器人动臂下降、前臂摆动重心下降过程中,自身重力要参与做功,影响工程机器人的运动速度,进而影响工程机器人自主作业的轨迹跟踪效果。针对这一问题,建立了工程机器人动臂、前臂的动力学模型,探讨采用最小二乘拟合法辨识动力学参数,进行工程机器人动臂、前臂的在线重力补偿,以消除在自主作业过程中重力做功对轨迹跟踪的影响。最后,在工程机器人试验台上进行了试验。试验结果表明,在线重力补偿可有效地补偿工程机器人自主作业过程自身重力,消除工程机器人动臂和前臂在运动过程中重力做功对自主作业轨迹跟踪过程的影响,有利于减小轨迹跟踪误差,提高工程机器人自主作业轨迹跟踪的性能。     

Analysis on autonomous task trajectory tracking performance of construction robot with online gravity compensation

工程机器人自主作业时,工程机器人动臂举升、前臂摆动重心上升过程中需要克服自身重力做功,而在工程机器人动臂下降、前臂摆动重心下降过程中,自身重力要参与做功,影响工程机器人的运动速度,进而影响工程机器人自主作业的轨迹跟踪效果。针对这一问题,建立了工程机器人动臂、前臂的动力学模型,探讨采用最小二乘拟合法辨识动力学参数,进行工程机器人动臂、前臂的在线重力补偿,以消除在自主作业过程中重力做功对轨迹跟踪的影响。最后,在工程机器人试验台上进行了试验。试验结果表明,在线重力补偿可有效地补偿工程机器人自主作业过程自身重力,消除工程机器人动臂和前臂在运动过程中重力做功对自主作业轨迹跟踪过程的影响,有利于减小轨迹跟踪误差,提高工程机器人自主作业轨迹跟踪的性能。     

采摘机器人振荡果实匹配动态识别

为解决由于果实振荡影响采摘机器人识别定位时间,进而影响采摘速度和效率的问题,对采摘机器人在果实振荡状况下的匹配动态识别方法进行了研究。首先介绍了振荡果实的动态识别流程,确定出采摘目标果实作为后续匹配识别的模板;然后引入去均值归一化积相关匹配识别算法,采用FastInverseSquareRoot算法和快速哈特莱变换对其进行加速优化,同时借鉴以往旋转无关匹配识别算法进行抗旋转改进;试验结果表明,加速优化后的匹配识别算法能够进行采摘目标果实的匹配识别,单幅平均匹配识别时间为0.33s,经过抗旋转等改进的匹配识别算法在[-55°,60°]较大范围内旋转无关,可以准确识别振荡果实,加上模板适时更新,能够满足实际需求。该研究可为果蔬采摘的动态识别提供参考。     

变自由度轮足复合机器人轨迹规划验证及步态研究

为了适应现代化农业对机器人的新要求,该文基于仿生学原理,提出一种可变自由度、轮足复合式、串并混联机构作为四足机器人的腿部机构。该文首先对机器人的整机和腿部机构进行了构形设计,并进行了位置分析;然后,根据农业上的一般地形和障碍物地形,规划了机器人足端普通轨迹及越障轨迹,并利用软件进行了轨迹仿真;其次,根据机器人静态及动态稳定性判据,在保证稳定性的前提下,完成了机器人对角小跑步态规划,并进行了仿真研究;最后,对机器人单腿样机进行了足端轨迹规划验证试验。试验结果表明:该单腿样机可以按给定的轨迹运动,证明该机器人机构设计是可行的,足端运动轨迹规划是正确的。但实际轨迹和理论计算轨迹存在误差,y轴方向最大误差2.5mm,z轴方向最大误差5.3 mm,误差均小于10 mm,在允许范围内,该机器人能够满足农业现代化的使用需求。     

黄瓜抓持特性与末端采摘执行器研究

为了设计用于黄瓜采摘的末端执行器,首先测定了黄瓜的抗压特性、表面摩擦系数和果柄切断阻力等物理特性。针对黄瓜抓持模型进行了力学分析,建立了气动驱动器中的气压值与抓持能力之间的关系。最后,研制了可用于黄瓜采摘的末端执行器,由抓持器和切割器组成,抓持器由2个基于气动柔性驱动器的弯曲关节构成,切割器由旋转气缸和刀片构成。该采摘执行器机械结构简单,输出力较大。试验结果表明：黄瓜抓持成功率为90%,黄瓜果柄割断成功率为100%,采摘时间为3 s。该采摘执行器采摘黄瓜效果良好,具有较好的实际应用前景。